Les principaux paramètres du procédé de soudage à haute fréquence des tubes à joint droit comprennent l'apport de chaleur, la pression, la vitesse de soudage, l'angle d'ouverture, la position et les dimensions de la bobine d'induction, ainsi que la position de l'impédance. Ces paramètres influent fortement sur la qualité, la productivité et la capacité de production des tubes soudés à haute fréquence. Un réglage optimal de ces paramètres permet aux fabricants de réaliser des économies substantielles.
1. Apport de chaleur de soudage
Lors du soudage à la molette haute fréquence de tubes, la puissance de soudage détermine l'apport de chaleur. Si, malgré des conditions extérieures optimales, cet apport est insuffisant, le bord de la bande d'acier chauffée n'atteint pas la température de soudage et conserve une structure solide, formant ainsi une soudure froide, voire une absence de fusion. Ce défaut de fusion est dû à un apport de chaleur insuffisant. Lors du contrôle, il se manifeste généralement par un test d'aplatissement non concluant, un éclatement du tube lors du test de pression d'eau, ou encore par des fissures lors du redressage, ce qui constitue un défaut plus grave. Par ailleurs, l'apport de chaleur est également influencé par la qualité du bord de la bande. Par exemple, la présence de bavures sur le bord provoque des étincelles avant l'entrée dans le point de soudage du galet presseur, entraînant une perte de puissance et un apport de chaleur insuffisant, et donc une soudure froide ou une absence de fusion. À l'inverse, un apport de chaleur excessif peut provoquer une surchauffe, voire une brûlure, du bord de la bande chauffée. La soudure se fissure également sous l'effet des contraintes, et il arrive que le métal en fusion gicle et forme des trous suite à sa rupture. Les piqûres de sable et les trous dus à un apport de chaleur excessif se manifestent principalement par un échec au test d'aplatissement à 90°, un échec au test de résilience et une rupture ou une fuite du tube en acier lors du test de pression d'eau.
2. Pression de soudage (réduction)
La pression de soudage est un paramètre essentiel du procédé. Après chauffage du bord de la bande à la température de soudage, les atomes de métal s'agglomèrent sous la force d'extrusion du rouleau presseur pour former une soudure. L'intensité de cette pression influe sur la résistance et la ténacité de la soudure. Une pression trop faible empêche la fusion complète du bord, et les oxydes métalliques résiduels présents dans la soudure ne peuvent être éliminés, formant des inclusions. Il en résulte une réduction significative de la résistance à la traction et une fragilité accrue de la soudure sous contrainte. À l'inverse, une pression trop élevée provoque l'expulsion d'une grande partie du métal ayant atteint la température de soudage, ce qui non seulement diminue la résistance et la ténacité de la soudure, mais engendre également des défauts tels que des bavures internes et externes excessives ou des recouvrements.
La pression de soudage est généralement mesurée et évaluée en fonction de la variation de diamètre du tube d'acier avant et après le passage au rouleau d'extrusion, ainsi que de la taille et de la forme des bavures. L'influence de la force d'extrusion sur la forme des bavures est cruciale. Une extrusion trop importante engendre d'importantes projections et une grande quantité de métal en fusion extrudé, formant ainsi de grosses bavures qui débordent de part et d'autre de la soudure. À l'inverse, une extrusion trop faible réduit considérablement les projections et laisse apparaître de petites bavures qui s'accumulent. Une extrusion modérée produit des bavures verticales d'une hauteur généralement comprise entre 2,5 et 3 mm. Un contrôle précis de l'extrusion garantit un angle d'incidence du métal sur la soudure symétrique, de l'ordre de 55° à 65°. La forme de la soudure est ainsi optimisée.
3. Vitesse de soudage
La vitesse de soudage est un paramètre essentiel du procédé. Elle est liée au système de chauffage, à la vitesse de déformation de la soudure et à la vitesse de cristallisation des atomes métalliques. En soudage haute fréquence, la qualité de la soudure s'améliore avec l'augmentation de la vitesse. En effet, la réduction du temps de chauffage diminue la largeur de la zone de chauffe en bordure et raccourcit le temps de formation de l'oxyde métallique. À l'inverse, une vitesse de soudage réduite entraîne un élargissement de la zone de chauffe (et donc de la zone affectée thermiquement), ainsi qu'une modification de la largeur de la zone de fusion due à la variation de l'apport de chaleur. De plus, la largeur de la ligne de fusion augmente avec la vitesse de soudage. À basse vitesse, le soudage est plus difficile en raison de la réduction de l'apport de chaleur. Par ailleurs, la qualité du bord de la tôle et d'autres facteurs externes, tels que l'impédance magnétique et l'angle d'ouverture, peuvent engendrer des défauts. Par conséquent, lors du soudage à haute fréquence, la vitesse de soudage la plus rapide possible doit être sélectionnée en fonction des spécifications du produit et des conditions permises par la capacité de l'unité et l'équipement de soudage.
4. Angle d'ouverture
L'angle d'ouverture, également appelé angle en V de soudage, correspond à l'angle formé par le bord de la bande avant le rouleau d'extrusion (voir figure 6). Cet angle varie généralement entre 3° et 6°. Sa valeur est principalement déterminée par la position du rouleau de guidage et l'épaisseur de la feuille de guidage. L'angle en V influe fortement sur la stabilité et la qualité du soudage. En réduisant l'angle en V, on diminue la distance entre les bords de la bande, ce qui renforce l'effet de proximité du courant haute fréquence. Il est ainsi possible de réduire la puissance de soudage, d'augmenter la vitesse de soudage et d'améliorer la productivité. Un angle d'ouverture trop faible entraîne un soudage prématuré : le point de soudure est comprimé et fusionné avant d'avoir atteint la température requise, ce qui favorise la formation de défauts tels que des inclusions et des soudures à froid, et nuit à la qualité de la soudure. Bien qu'augmenter l'angle en V accroisse la consommation d'énergie, cela permet, dans certaines conditions, d'assurer la stabilité du chauffage du bord de la bande, de réduire les pertes de chaleur et de limiter la zone affectée thermiquement. En production, pour garantir la qualité de la soudure, l'angle en V est généralement contrôlé entre 4° et 5°.
5. Dimensions et position de la bobine d'induction
La bobine d'induction est un outil important dans le soudage par induction à haute fréquence, et sa taille et sa position affectent directement l'efficacité de la production.
La puissance transmise par la bobine d'induction au tube d'acier est proportionnelle au carré de l'entrefer. Un entrefer trop important réduit considérablement le rendement de production, tandis qu'un entrefer trop faible risque de provoquer des étincelles à la surface du tube ou d'endommager ce dernier. Généralement, l'entrefer entre la surface interne de la bobine d'induction et le corps du tube est d'environ 10 mm. La largeur de la bobine est déterminée en fonction du diamètre extérieur du tube. Une bobine trop large diminue son inductance, la tension du capteur et la puissance de sortie. À l'inverse, une bobine trop étroite augmente la puissance de sortie, mais aussi les pertes par effet Joule. En règle générale, une largeur de bobine comprise entre 1 et 1,5D (D étant le diamètre extérieur du tube) est optimale.
La distance entre l'extrémité avant de la bobine d'induction et le centre du galet d'extrusion est égale ou légèrement supérieure au diamètre du tube ; une valeur de 1 à 1,2D est donc optimale. Si cette distance est trop importante, l'effet de proximité de l'angle d'ouverture est réduit, ce qui entraîne une distance de chauffage des bords trop longue et empêche d'atteindre une température de soudage suffisamment élevée. À l'inverse, si cette distance est trop faible, le galet d'extrusion génère une chaleur par induction excessive et sa durée de vie s'en trouve réduite.
6. Fonction et position de l'impédance
La barre magnétique d'impédance sert à réduire le courant haute fréquence circulant à l'arrière du tube en acier, tout en concentrant ce courant pour chauffer l'angle en V de la bande d'acier. Ceci permet d'éviter les pertes de chaleur dues à l'échauffement du corps du tube. Sans refroidissement, la barre magnétique dépassera sa température de Curie (environ 300 °C) et perdra son magnétisme. En l'absence d'impédance, le courant et la chaleur induite se disperseront dans tout le tube, augmentant la puissance de soudage et provoquant une surchauffe. L'effet thermique de la présence ou de l'absence d'une impédance dans l'ébauche de tube est donc significatif. Le positionnement de l'impédance influe considérablement sur la vitesse et la qualité du soudage. L'expérience a démontré que lorsque l'extrémité avant de l'impédance est alignée avec l'axe du rouleau d'extrusion, le résultat est optimal. En revanche, si elle dépasse cet axe et s'étend latéralement, le résultat est nettement inférieur. Lorsque l'impédance n'atteint pas l'axe central mais se situe latéralement par rapport au rouleau de guidage, la force de soudage est réduite. La position optimale consiste à placer l'impédance dans l'ébauche de tube, sous l'inducteur, de manière à ce que son extrémité coïncide avec l'axe du rouleau d'extrusion ou soit décalée de 20 à 40 mm dans le sens de formage. Ceci permet d'augmenter l'impédance inverse dans le tube, de réduire les pertes par courant de circulation et, par conséquent, la puissance de soudage.
Date de publication : 8 octobre 2024